0  引言

電機燒壞存在諸多因素，從整個PDS來看，可從變頻器，電機，負(fù)載及環(huán)境四個對象來分析。為避免因變頻供電引起燒電機事故，本文從電機拖動原理出發(fā)，針對變頻器燒電機可能存在的原因進行了理論深分析。并指導(dǎo)VEICHI AC70、AC80相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，力求知其然而知其所以然。

1 電壓參數(shù)

　　電壓型變頻器主要通過控制PWM脈沖電壓波形對電機進行控制，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，大多數(shù)燒電機事故由電流過大引起，因此調(diào)節(jié)等效電壓幅值相關(guān)的參數(shù)來控制電流為處理燒電機問題首當(dāng)其沖的選擇，VEICHI AC70、AC80相關(guān)電壓參數(shù)如下表：

表1  VEICHI AC70、AC80、AC100相關(guān)電壓參數(shù)

為簡單計，本文后續(xù)僅以AC80參數(shù)組為例。

2 變頻器輸出電壓問題

電機電壓過高或過低，均可以導(dǎo)致系統(tǒng)長期過電流而燒電機，電壓問題的表現(xiàn)形式有多種多樣，有案例1杭州空壓機2012-07-30：電機低頻低壓過流運行而燒毀電機；案例2廣東木工機械2011-11-8：電機三角形接法錯接成星形接法造成低電壓驅(qū)動重載而燒電機（電壓降為原電壓的1/1.732倍，轉(zhuǎn)矩降為原轉(zhuǎn)矩的1/3）；案例3河北礦業(yè)用電機2011-09-17：電壓過高使電機磁路飽和導(dǎo)致電機過流跳SC，電機雖被變頻器保護，但電流卻以突變的形式危害繞組絕緣，縮短電機壽命；案例4真空泵2012-08-01：電網(wǎng)電壓太低而燒毀電機等等。

當(dāng)然以上問題的直接表現(xiàn)是電機過流過熱、機械特性變軟、電機啟動能力太差等。我們通常的做法是對表1的參數(shù)進行嘗試性調(diào)整，如加大額定電壓到國標(biāo)容差極限——400V甚至更高，啟用轉(zhuǎn)矩提升，AVR功能，選擇或設(shè)定V/F曲線等…殊不知該怎樣調(diào)，優(yōu)先調(diào)整哪一個，調(diào)多大等問題，因此，為避免因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成燒電機事故，下面重點研究此類問題。

3 電機定子頻率f1接近工頻時的分析

3.1  關(guān)系式與等效拓?fù)?

由文獻(xiàn)1知，電機勵磁阻抗比定、轉(zhuǎn)子漏阻抗大很多，變頻器輸出頻率f1較大時可近似開路，對應(yīng)電機機械特性表達(dá)式：

電流關(guān)系：

等效電路圖為：

    圖1  三相異步電機的T型等效電路

3.2  f1接近工頻運行AC80-F5.05小幅增加

當(dāng)電機定子端電壓U1增加時，由式1知電機的電磁力矩T正比于電壓U1的平方（T∝U12），則電磁力矩T增大，為保持與負(fù)載力矩平衡，轉(zhuǎn)差率s將減小，圖1中(1-s/s) R2`增大，則轉(zhuǎn)子電流-I2`將隨之減小。

當(dāng)電壓離額定值不大時，磁通Ф1還增大得不多的時候，鐵芯未飽和，結(jié)合式3和式4看，勵磁電流I0的增加是與電壓U1成比例的，因此I0 增加。

根據(jù)式2：定子電流I1=I0+(-I2), 一增一減則定子電流可能不變。但在逐步調(diào)大F5.05的過程中，負(fù)荷力矩一定時，負(fù)載電流減小占優(yōu)勢，即轉(zhuǎn)子電流-I2`的減小要快于勵磁I0 的增加，最終定子電流I1減小。

3.3  f1接近工頻運行AC80-F5.05繼續(xù)增加

當(dāng)電壓U1繼續(xù)增加時，電機中的磁通將增加，由于電機磁路的飽和，根據(jù)BH曲線（見附圖），在磁通Ф1增加不多的情況下勵磁電流I0將大大增加。又由于在額定負(fù)載范圍內(nèi)運行時，轉(zhuǎn)差率s很?。╯≈0.05），因此由于轉(zhuǎn)差率減小而引起轉(zhuǎn)子電流-I2`的減小小于電壓升高勵磁電流I0的增加，根據(jù)式2： I1=I0+(-I2), 結(jié)果使定子電流I1上升。

因此，當(dāng)電壓升高過多時，不僅鐵損增大，而且定子繞組的銅損也要增加，電動機的功率因數(shù)變壞，從而使定子繞組過熱而易燒電機。

3.4  電網(wǎng)電壓或其它原因使U1過低

有多種可能情況使U1過低，如PWM波中的基波含量不高，直流母線電壓不夠，變頻器負(fù)載能力太低，電壓參數(shù)設(shè)置錯誤，載波頻率太高（死區(qū)時間占空比增加），電纜過長分壓，漏電流過大，案例2中的電機接法錯誤…等諸多因素。分析如下：

當(dāng)電壓U1降低時，由于磁通Ф1的減小使勵磁電流I0也減小，電磁力矩T（T∝U12）以平方倍速降低，如負(fù)載力矩一定時，為維持電磁轉(zhuǎn)矩依舊不變，轉(zhuǎn)差s增大，轉(zhuǎn)子電流-I2`增大，而勵磁電流I0減小，通常前者占優(yōu)勢，根據(jù)式2：定子電流I1=I0+(-I2)，故當(dāng)電壓降低時，定子電流I1通常是增大的，且直到電機產(chǎn)生的電磁力矩和負(fù)載力矩平衡為止。 如果電壓U1降低過多，轉(zhuǎn)差率s的增大而引起轉(zhuǎn)子電流-I2`的增加將遠(yuǎn)大于勵磁電流I0的減小。結(jié)果使電動機的功率因數(shù)cosφ1變壞，轉(zhuǎn)子和定子電流將超過允許值。雖然由于磁通Ф1減小，鐵損或許降低一些，但銅損隨電流的平方而成正比的增加，所以總的損耗還是增加，電機將過熱。

因此，異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩T對電源電壓U1是很敏感的，如電源電壓有所降低，電動機的轉(zhuǎn)矩會大大降低，如電動機的端電壓降低為原來電壓的80％，電機轉(zhuǎn)矩就會減少到原轉(zhuǎn)矩的64％，如電動機的端電壓降低為原來電壓的70％，電機轉(zhuǎn)矩就會減少到原轉(zhuǎn)矩的50％

4 現(xiàn)場電機f1較小時的分析

4.1  特性表達(dá)式

不管是矢量控制（E1/F不變）還是V/F控制，由于都是磁場控制，這兩種控制方式在接近工頻運行時，磁場趨于一致，即E1/F≈V/F，Ф1≈常數(shù)，而這兩種控制的主要區(qū)別在低頻端，由式1可推導(dǎo)出 V/F控制下的最大轉(zhuǎn)矩為（參考文獻(xiàn)1）：

(7) 而矢量控制的最大轉(zhuǎn)矩：

從式7可以看出，保持U1/f1為常數(shù)，當(dāng)f1接近額定頻率時，R1<< (X1σ+X`2σ) ,隨著f1的減小，Tm減小得不多，因此與矢量控制區(qū)別不大。但是，當(dāng)f1較低時，X1σ+X`2σ比較小，R1相對變大了。這樣一來，隨著f1的減小， Tm減小了。從而解釋了V/F控制下，電機低頻轉(zhuǎn)矩降低，機械特性變壞。

4.2  V/F控制下f1較低運行需自設(shè)定F8.01—F8.10

當(dāng)電機運行于低速時(n≈0，s≈1)，這時的定子電壓U1全部降落在定、轉(zhuǎn)子的漏阻抗上。通常定、轉(zhuǎn)子的漏阻抗Z1≈Z`2 (F5.08≈F5.09)，這樣定、轉(zhuǎn)子漏阻抗上的電壓降各近似為定子電壓U1的一半左右。也就是說，定子感應(yīng)電動勢E1近似是U1的一半左右，氣隙主磁通Ф1也將變?yōu)榭蛰d時的一半左右。所以： （1）啟動困難時，須適當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)矩提升值F8.12對定子電壓U1，確切的說，對定子感應(yīng)電動勢E1進行提升補償 （2）出現(xiàn)如案例1的低頻低壓大電流情況，可適當(dāng)將低頻點對應(yīng)的電壓進行設(shè)定，其原理與3.2、3.3節(jié)調(diào)試F5.05參數(shù)相同，不予贅述。

4.3  矢量控制下f1較低運行需學(xué)習(xí)準(zhǔn)確   矢量控制不同于V/F控制，從式8分析， f1較低時，最大轉(zhuǎn)矩Tm仍舊為常數(shù)，它在低速時能輸出100%力矩，因此其機械特性較硬，穩(wěn)定性好。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測（學(xué)習(xí)不準(zhǔn)），系統(tǒng)特性受電機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際控制的效果難以達(dá)到理想分析的效果。因此，矢量控制是建立在準(zhǔn)確的電機數(shù)學(xué)模型上進行控制的，如果學(xué)習(xí)不夠準(zhǔn)確，將造成過勵磁或勵磁不夠，最終導(dǎo)致電流I0或(-I2)增大燒電機。

5  載波頻率fk

說明書AC70-E20和AC80-F0.17對載波頻率作了較詳細(xì)的調(diào)試說明。從延長電機壽命的方面考慮，有補充如下：

（1）載波頻率fk越高，因死區(qū)補償占空比增加，導(dǎo)致輸出等效電壓U1降低，電機力矩T降低，因此定子電流I1增加；反之，fk越低，電機力矩增加。

（2）載波頻率fk調(diào)高，可降低電機THD，減少諧波對電機的轉(zhuǎn)矩脈動沖擊和諧波損耗，從而使電機減振且溫升下降。但由（1）知，也有可能因定、轉(zhuǎn)子電流的增加使銅損耗增加，當(dāng)銅損增加到大于諧波損耗的減小時，溫度又開始升高，因此須謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)。

（3）設(shè)定載波頻率fk，使載波比N=fk/f1的數(shù)值為3的整數(shù)倍時，文獻(xiàn)3指出電機將自動消除基波f1的3的整數(shù)倍諧波，從而有利于延長電機使用壽命，如電機在f1=40HZ節(jié)能運行時： N1= fk /40=1.2KHz/40HZ=30； N2= fk /40=2.4 KHz/40HZ=60； N3= fk /40=3.6kHZ/40HZ=90； N1=30，N2=60，N3=90均為3的整數(shù)倍關(guān)系，設(shè)定的fk為1.2KHz、2.4 KHz、3.6kHZ。

5  總結(jié)

（1）變頻器輸出電壓過高或過低均可能造成定子電流增大而燒壞電機。

（2）在定子鐵芯未飽和的情況下，適當(dāng)增加變頻器輸出電壓（參考文獻(xiàn)4：國標(biāo) ≤5%Un）可獲得平方倍電磁轉(zhuǎn)矩提升，而且可以使定子電流減小。

（3）在（2）基礎(chǔ)上，繼續(xù)通過參數(shù)設(shè)置提高電壓可能使磁通深度飽和，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩增加不明顯，定子電流卻迅速增大

（4）在電機低頻低壓大電流的情況下，因定、轉(zhuǎn)子分壓，磁通遠(yuǎn)未飽和，可適當(dāng)升高低頻點電壓獲得轉(zhuǎn)矩提升，降低定子電流。

（5）AC80系列矢量控制在對電機的自學(xué)習(xí)時，鑒于電機參數(shù)有可能發(fā)生變化，會影響變頻器對電機的控制性能，因此矢量控制只有做到準(zhǔn)確的參數(shù)辨識和自適應(yīng)，才能在給定頻率段發(fā)揮最有效的控制。

（6）從電機層面著想，調(diào)整載波頻率fk時，需考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電機諧波和溫升方面的影響。

參考文獻(xiàn) [1] 李發(fā)海，王巖. 電機與拖動基礎(chǔ) 清華大學(xué)出版社 2008年第3版。 [2] 偉創(chuàng)電氣AC70、80B系列變頻調(diào)速器使用說明書。 [3] 關(guān)慧，趙爭鳴. 變頻器驅(qū)動下的異步電機設(shè)計與分析. 清華大學(xué)電機學(xué)碩士學(xué)位論文，2004年11月。 [4] GB755-2008 旋轉(zhuǎn)電機定額與性能. 2008年06發(fā)布。

附——BH曲線分析圖：